實(shí)驗(yàn)室廢水污染防治措施
——以含銅實(shí)驗(yàn)廢液應(yīng)用于綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究為例

秦建芳譚俊民弓巧娟,*

(1運(yùn)城學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，山西運(yùn)城044000；2康杰中學(xué)，山西運(yùn)城044000)

實(shí)驗(yàn)室廢水污染防治措施
——以含銅實(shí)驗(yàn)廢液應(yīng)用于綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究為例

秦建芳1譚俊民2弓巧娟1,*

(1運(yùn)城學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，山西運(yùn)城044000；2康杰中學(xué)，山西運(yùn)城044000)

將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室含銅廢液的處理、回收及檢測(cè)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)為大型綜合性實(shí)驗(yàn)課題，增加了學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)；同時(shí)進(jìn)行教學(xué)反思，對(duì)如何減少實(shí)驗(yàn)室廢液提出了可行性建議，以期加強(qiáng)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室的廢液污染控制；借此推動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革，保護(hù)環(huán)境。

含銅實(shí)驗(yàn)廢液；綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；污染控制；實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

環(huán)境安全是人類社會(huì)普遍關(guān)心的重大問題。大多數(shù)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)產(chǎn)生廢液，但嚴(yán)格處理廢液的措施還有待改進(jìn)。所以，如何處理實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的大量廢液，是環(huán)境污染控制中急切需要解決的問題之一[1－3]。同時(shí)，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)人才的需求，高校應(yīng)適度增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。對(duì)于地方本科院校，由于缺乏適合本科生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和素材，可開設(shè)的內(nèi)容需要認(rèn)真探究。按照國(guó)家對(duì)化學(xué)類本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)綜合性和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)要求，以及強(qiáng)化學(xué)生環(huán)保意識(shí)的需要，課題組充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，把基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的含銅廢液進(jìn)行處理、回收及檢測(cè)，創(chuàng)新地整合為一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，具體方法如下：首先向含銅廢液中加入硫化鈉廢液進(jìn)行處理，使其中的銅離子濃度降低，回收硫化銅沉淀，然后再檢測(cè)處理后廢液中的銅離子含量，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。該實(shí)驗(yàn)以保護(hù)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)生理論與實(shí)際相聯(lián)系的能力，著力于增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，因此受到師生普遍歡迎。在此基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)行了教學(xué)反思，提出減少高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢液污染的可行性意見，包括加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室廢液管理和合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容兩個(gè)方面。以期推動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革，達(dá)到提高人才培養(yǎng)質(zhì)量與保護(hù)環(huán)境雙贏的目的。

1 含銅廢液綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1.1 基本思路

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“ds區(qū)金屬元素的性質(zhì)”中，產(chǎn)生了大量含有Cd2+、Ag+、Cu2+、Zn2+等多種金屬元素的廢水。這些重金屬離子對(duì)環(huán)境危害很大，必須減少實(shí)驗(yàn)試劑的用量，并對(duì)使用后的廢棄物進(jìn)行處理后再排放。目前對(duì)含銅廢液的處理，一般有兩種方案[4]：(1)利用鐵還原法將銅從含銅廢液中直接還原；(2)在含銅廢液中加入Na2CO3，使溶液呈堿性后，銅轉(zhuǎn)化為Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3或兩者的混合物，如果處理后溶液仍呈很強(qiáng)的堿性，則堿性溶液須經(jīng)中和處理后再排放。但是方案(1)中由于大量鐵粉的加入，使處理的成本過高；方案(2)則由于較大，處理后廢液中銅離子濃度較高，而且處理后多數(shù)情況下得到的是混合物，回收后產(chǎn)品的實(shí)用價(jià)值不高。為解決含銅廢液處理過程中的問題，筆者利用溶度積原理設(shè)計(jì)了第3種方案：在含銅廢液中加入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室另一種廢液——硫化鈉作為沉淀劑，使銅離子生成溶解度非常小的硫化銅，再過濾，用蒸餾水洗滌沉淀。產(chǎn)品在40－50°C下烘干，回收。取少量剩余液，利用原子吸收光譜法測(cè)定溶液中銅離子含量，若c(Cu2+)≤1 mg?L－1，即達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。本方案中學(xué)生首先根據(jù)沉淀-溶解平衡知識(shí)，計(jì)算處理后廢液中銅離子濃度為s mol?L－1。若生成Cu(OH)2沉淀，Cu(OH)2=Cu2++ 2OH－，而若生成CuS沉淀，CuS=，而則s=2.50×10－18mol?L－1。通過實(shí)際問題的引入，加深了學(xué)生對(duì)難溶性強(qiáng)電解質(zhì)溶解度計(jì)算的理解，并把理論與實(shí)際緊密地結(jié)合到一起。同時(shí)也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)的熱情。由上面的計(jì)算可知，當(dāng)生成CuS沉淀時(shí)，處理后廢液中銅離子濃度極低，非常好地滿足了廢水排放的環(huán)保要求，且回收的CuS固體可以供其他基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)使用。該實(shí)驗(yàn)以廢治廢、變廢為寶，資源循環(huán)再利用。此外，通過用原子吸收光譜法測(cè)定處理后廢液中銅離子含量，學(xué)生既能夠熟練掌握大型儀器的使用，又能進(jìn)一步加深對(duì)分析化學(xué)基本術(shù)語(yǔ)(如回收率、精密度、標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限、干擾性等概念)的理解和掌握，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)、能力及素質(zhì)的綜合遷移。

1.2 組織與運(yùn)行

該綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)安排在學(xué)期末進(jìn)行(共2個(gè)實(shí)驗(yàn)，6學(xué)時(shí))。實(shí)驗(yàn)原料來源于學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的含銅廢液。每4人為一組，進(jìn)行無毒化處理、回收及達(dá)標(biāo)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)前讓學(xué)生做好準(zhǔn)備工作，通過文獻(xiàn)查閱了解此類廢液回收、處理的現(xiàn)狀和意義，根據(jù)沉淀溶解平衡知識(shí)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)教師準(zhǔn)許后才可實(shí)施。處理過的廢水經(jīng)原子吸收光譜法檢測(cè)達(dá)標(biāo)后方可排入下水道。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由學(xué)生獨(dú)立完成，學(xué)生可根據(jù)個(gè)人對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解及儀器的使用情況，與教師商議后對(duì)實(shí)驗(yàn)方案作出調(diào)整(如有學(xué)生提出用分光光度法測(cè)量銅離子含量)。該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能及分析和解決問題的能力。

1.3 考核與評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)論文，具體內(nèi)容包括研究意義、國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室廢水處理現(xiàn)狀、理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果及討論和心得體會(huì)。雖然學(xué)生只是用簡(jiǎn)單的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)廢液進(jìn)行回收、處理及檢測(cè)，但是該實(shí)驗(yàn)卻涉及了無機(jī)化學(xué)的沉淀-溶解平衡理論知識(shí)，溶解、沉淀、過濾、洗滌、干燥等基本技能訓(xùn)練，以及原子吸收光譜儀的使用和分析檢測(cè)的基本步驟。論文完成后，再組織各小組之間相互評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)質(zhì)疑，然后進(jìn)行總結(jié)。通過該綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，既處理了廢液，又回收了化學(xué)品，同時(shí)也學(xué)會(huì)了常見金屬離子的檢測(cè)方法。最重要的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到廢液處理的不易，在實(shí)驗(yàn)過程中要盡量節(jié)約試劑，減少?gòu)U液的產(chǎn)生，從源頭上減少污染，提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

2 教學(xué)反思——實(shí)驗(yàn)室廢水污染防治措施

由于高校在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生流動(dòng)性大、人數(shù)多，加上藥品用量大、品種繁雜、排放時(shí)間不定等因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)廢液對(duì)環(huán)境帶來的壓力不容忽視。結(jié)合幾年的教學(xué)實(shí)踐，提出實(shí)驗(yàn)室廢水污染防治措施，具體如下。

2.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室廢液管理

2.1.1 分類收集

在日?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，可根據(jù)廢液量的大小、回收利用程度、酸堿性、濃度、毒性，要求學(xué)生按要求、按標(biāo)記對(duì)產(chǎn)生的廢液進(jìn)行分類收集保存。

對(duì)于量較多的含銅、含鋇、含鉻廢液，把它們分別盛裝在耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿并且已經(jīng)使用過的塑料桶中，以便于節(jié)約成本，進(jìn)行二次利用。而對(duì)于量較少的含錳、含鎘、含汞、含鉛、含鋅、含鐵廢液，可以用盛裝酸液的大試劑瓶回收，收集的廢液待期末進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)處理。

2.1.2 以廢治廢

采用以廢治廢的方法來處理廢液，增加了廢液的利用率，節(jié)約了處理成本。如本研究中利用回收的硫化鈉廢液處理含銅廢液，亦可以用含的廢液處理其他金屬離子，或者利用酸堿中和原理來處理酸性和堿性廢液，降低處理費(fèi)用。

2.1.3 分級(jí)沉降處理

對(duì)于混合有多種金屬離子的廢液，可以根據(jù)分步沉淀的原理，用分級(jí)沉降的方法處理。由于這類廢液的處理需要無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析等多方面理論知識(shí)做支撐，并且廢液中金屬離子的含量須通過科學(xué)方法來檢測(cè)，所以既可提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作技能，還可與環(huán)境檢測(cè)、食品檢驗(yàn)等工作緊密結(jié)合；如果作為畢業(yè)班學(xué)生論文的選題也有積極的意義。此外，在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，還可以通過基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程改革來降低實(shí)驗(yàn)廢水對(duì)環(huán)境的污染。

2.2 合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

借助先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感受，達(dá)到教學(xué)目的。目前，已經(jīng)有成熟的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。利用系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可做成Java、Applet、ActiveX或Flash插件，實(shí)現(xiàn)界面仿真、模型表示、模型求解和操作控制[6]。某些毒性較大、操作危險(xiǎn)、儀器設(shè)備比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行演示、預(yù)習(xí)或人機(jī)對(duì)話進(jìn)行提示或鞏固。

2.2.2 微型實(shí)驗(yàn)

微型實(shí)驗(yàn)是以盡可能少的實(shí)驗(yàn)試劑來獲取化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)。它的試劑用量一般只為常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量的幾十分之一甚至幾千分之一，卻可以達(dá)到準(zhǔn)確、安全、方便和防止環(huán)境污染等目的[7]。例如，在“固體堿熔氧化法制備重鉻酸鉀”實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)實(shí)驗(yàn)氧化焙燒時(shí)須用酒精噴燈加熱30－35 min；改用微型實(shí)驗(yàn)后，由于試劑用量減少，用酒精燈也可以使Cr2O3熔融氧化完全。在常規(guī)方法中，用4 g Cr2O3制備K2Cr2O7，可得產(chǎn)品5.32 g，產(chǎn)率為68.7%；而使用微型實(shí)驗(yàn)方法，試劑用量減少到1/10，制得產(chǎn)物0.4117 g，產(chǎn)率為53.2%，產(chǎn)生的廢液量隨試劑用量減少相應(yīng)地大量減少。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比，微型實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)率較低，但已滿足后期含量測(cè)定的要求。

2.2.3 探究性實(shí)驗(yàn)

在元素化學(xué)中以探究性實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。例如，高等教育出版社出版的《無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》[8]“第一過渡系元素(二)”中，針對(duì)Fe(II)、Co(II)、Ni(II)的還原性和Fe(III)、Co(III)、Ni(III)的氧化性，書上設(shè)計(jì)了7個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涉及到大量的實(shí)驗(yàn)藥品，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生了大量廢液；而采用探究性實(shí)驗(yàn)，只須提出1個(gè)探究性問題，按照Fe、Co、Ni的順序，高氧化態(tài)(+3)化合物的氧化性、穩(wěn)定性和低氧化態(tài)(+2)化合物的還原性、穩(wěn)定性如何變化？首先理論探究：由E?(Fe3+/Fe2+)=0.771 V，E?(Co3+/Co2+)=1.82 V可知：Co3+的氧化性強(qiáng)于Fe3+，即按照上述順序，高氧化態(tài)(+3)的氧化性逐漸增強(qiáng)，化合物的穩(wěn)定性減??；低氧化態(tài)(+2)的還原性逐漸減弱，化合物的穩(wěn)定性增強(qiáng)。其次，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：自制Fe(OH)2、Co(OH)2、Ni(OH)2在空氣中放置或通入氯氣，觀察現(xiàn)象。而后在Fe(OH)3、Co(OH)3、Ni(OH)3中加入濃鹽酸，觀察現(xiàn)象，用淀粉-碘化鉀試紙檢驗(yàn)放出的氣體。最后試驗(yàn)：按照上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論，寫出反應(yīng)方程式。通過探究實(shí)驗(yàn)，不僅使藥品的使用量明顯減少，減少了大量廢液的污染，又把無機(jī)化學(xué)的基本理論融入到元素化學(xué)實(shí)驗(yàn)之中，讓學(xué)生帶著問題做實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生自主獲取知識(shí)的能力，比傳統(tǒng)的“照方抓藥”效果要好得多。

3 結(jié)語(yǔ)

分類收集是處理實(shí)驗(yàn)室廢水的基本前提，有的廢水還可相互利用，降低處理費(fèi)用。本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地利用以廢治廢的方法將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室含銅廢液與含硫化鈉廢液的處理、回收及檢測(cè)設(shè)計(jì)為大型綜合性實(shí)驗(yàn)課題，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合增強(qiáng)了學(xué)生分析、解決問題的能力。經(jīng)過教學(xué)反思，結(jié)合長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐提出實(shí)驗(yàn)室廢液防治的兩種具體措施：合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室廢液管理。借此推動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革，達(dá)到保護(hù)環(huán)境、資源循環(huán)利用的目的。

[1]張奕,賀纓,程文濤.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29(8),56.

[2]李鐵龍,金朝暉,宣曉梅.環(huán)境衛(wèi)生工程,2004,12(2),73.

[3]姚運(yùn)先,王藝娟.化學(xué)教育,2002,No.2,9.

[4]李增新,薛淑云,王國(guó)明.實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(7),105.

[5]國(guó)家環(huán)?？偩挚萍紭?biāo)準(zhǔn)司.污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)//中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).北京:中國(guó)環(huán)境保護(hù)科技出版社,1997.

[6]李愛峰,孫愛玲,柳仁民.大學(xué)化學(xué),2012,27(5),26.

[7]王春.化學(xué)教育,2009,No.8,53.

[8]北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社,2006:183－185.

Treatments for the Laboratory Waste Water:Taking the Copper-Containing Waste Reused in Comprehensive Experiments as a Case

QIN Jian-Fang1TAN Jun-Min2GONG Qiao-Juan1,*
(1Department of Applied Chemistry,Yuncheng University,Yuncheng 044000,Shanxi Province,P.R.China;2Kangjie Middle School,Yuncheng 044000,Shanxi Province,P.R.China)

The treatment,recovery and detection of copper-containing waste from chemical laboratory were designed as a comprehensive experiment for college students.The students′ability of integrating theory with practice was enhanced.The environmental awareness was cultivated.At the same time, feasible suggestions for reducing laboratorial waste were proposed to strengthen the university chemistry laboratory waste pollution control.We aim to promote the teaching reform of chemistry experiment course, and to protect the environment.

Copper-containing waste from chemical laboratory;Comprehensive experiment; Environmental pollution control;Teaching reform

*通訊作者，Email:gqjuan@163.com

山西省普通本科高校教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(J2014103)；山西省化學(xué)特色建設(shè)專業(yè)；運(yùn)城學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JG201611)

10.3866/PKU.DXHX201603001

www.dxhx.pku.edu.cn

G64；O642.0